1.2. Графические устройства ввода-вывода
К наиболее распространенным графическим устройствам относятся:
мониторы (дисплеи);
принтеры;
плоттеры;
сканеры;
цифровые фотоаппараты;
дигитайзеры.
Как уже отмечалось, мониторы – самые распространённые устройства вывода растровых изображений. Изображение в растровых мониторах формируется из строк пикселей, образующих матрицу с координатной адресацией по осям X и Y. Особенность экранной системы координат в том, что ось OY направлена вниз.
По принципу действия мониторы можно разделить на следующие остновные виды:
с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ, CRT – cathode ray tube);
плазменные (PDP – Plasma Display Panels);
жидкокристаллические (ЖК, LCD – Liquid Crystal Display).
Мониторы с ЭЛТ уже становятся прошлым. Плазменные панели, как и жидкокристаллические, широко используются в телевизорах, однако подавляющая часть современных мониторов для персональных компьютеров жидкокрисаллические.
В LCD-дисплеях используются ЖК-панель, имеющая многослойную структуру, в которой главную роль играют две стеклянные подложки и находящийся между ними слой жидких кристаллов с молекулами стержневидной формы. На подложках нанесены параллельные бороздки. Бороздки двух подложек ортогональны друг к другу, и на пересечении бороздок образуются ячейки, соответствующие пикселям. Бороздки создают первначальную ориентацию молекул кристалла, соприкасающихся с ними. При этом продольные оси молекул самого верхнего слоя жидких кристаллов будут расположены под прямым углом по отношению к осям молекул из нижнего слоя. Ориентация молекул между слоями плавно меняется от одного края к другому. В таком состоянии ячейки прозрачны для света ламп подсветки, расположенных за ЖК-панелью. Степенью прозрачности кристаллов можно управлять, меняя плоскость поляризации молекул за счет электрического напряжения, подаваемого на кристаллы. В качестве управляющих элементов используются тонкопленочные транзисторы (TFT – Thin Film Transistor), образующие матрицу из строк и столбцов соответственно ячейкам экрана.
В цветных LCD-дисплеях для каждого пикселя используются три примыкающих друг к другу ячейки ЖК-панели – три субпикселя, подсветка на каждый из которых подается соответсвенно через красный, зеленый и синий светофильтры (рис. 1.1).
П
равильное
восприятие цвета формируется за счет
того, что при малых размерах субпикселей
фактическое сложение цветовых составляющих
в один цвет происходит в зрительном
аппарате человека.
Количество столбцов и строк в матрице пикселей определяет максимальную разрешающую способность монитора. Как уже говорилось, типичные значения разрешающей способности мониторов составляют 1280x1024, 1920х1080 и выше. Другая характерисика этого же свойства – разрешение монитора [1]. Оно определяет число пикселей на дюйм по горизонтали (или вертикали). Чаще разрешение в обоих направлениях совпадает. Измеряется в единицах, обозначаемых как ppi (pixel per inch). Типичное разрешение современных мониторов при максимальной разрешающей способности развертки достигает 100 ppi.
Другими наиболее важными параметрами мониторов являются яркость, контрастность, количество цветов, угол обзора, время отклика, интерфейс.
Максимальная яркость изображения на экране монитора в значительной мере определяется подсветкой. Для большинства LCD-мониторов максимальная яркость лежит в пределах 200 – 500 кд/м2.
Контрастность определяется как соотношение между максимальной и минимальной яркостью. Хотя постоянная подсветка и создает проблемы, для современных мониторов достигает высоких значений в пределах от 1:1000 до 1:100000.
Стандартное количество отображаемых цветов составляет 16,7 Млн., что соответствует диапазону значений цветов формата TrueColor.
Максимальный угол обзора определяется как угол, при обзоре с которого контрастность изображения уменьшается в 10 раз. Различают горизонтальный и вертикальный углы обзора. Типовые значения – 1700 и 1600 соответственно.
Время отклика – это время, за которое транзистор ячейки панели успевает изменить пространственную ориентацию молекул жидких кристаллов. Диапазон типовых значений 2 – 8 мс, что достаточно для воспроизведения любых динамических сцен.
Хотя в LCD-мониторах используется цифровое управление выводом изображения на дисплей, многие из них имеют аналоговый интерфейс VGA (Video Graphics Array), разработанный еще для мониторов на базе ЭЛТ. В более современных мониторах используются цифровые интерфейсы DVI (Digital Visual Interface) и HDMI (High-Definition Multimedia Interface), обеспечивающие более высокое качество воспроизведения изображения.
Наиболее известными производителями жидкокристаллических мониторов являются фирмы Accer, Samsung, LG, Philips.
Помимо мониторов используется большая номенклатура различных устройств ввода и вывода графической информации.
Практически все современные принтеры (игольчатые, струйные, лазерные) по принципу формирования изображения являются матричными, поэтому хорошо подходят для печати на бумаге не только текстовых документов, но и растровых изображений.
Разрешение принтеров с матричным способом печати указывается в единицах dpi (dot per inch) – точек на дюйм. Обозначает возможность вывода указанного количества мельчайших печатных точек на дюйм. Однако при печати изображений с полутонами каждый пиксель приходится воспроизводить не одной печатной точкой, а квадратной матрицей печатных точек, например матрицей размером 16х16. Типичное разрешение лазерных принтеров составляет от 600х600 до 1200х1200 dpi, струйных – до 4800х1200 dpi и выше.
Плоттер (графопостроитель) – устройство вывода изображений на бумагу, пластик, фоточувствительный материал или иной носитель путем черчения, фоторегистрации, гравирования или иным способом. Существуют планшетные, рулонные и барабанные плоттеры.
Планшетные плоттеры (flatbed plotter) относятся к векторным устройствам. В них лист фиксируется на планшете электростатическим способом. Изображение строится с помощью пишущего узла, который может перемещаться по планшету одновременно по двум координатам. В пишущем узле используются специальные фломастеры или ручки с возможностью их автоматической замены. Формат бумажных листов от А4 до А0. В настоящее время графопостроители этого типа уже не выпускаются.
Рулонные графопостроители (roll-feed plotter) по принципу действия относятся к растровому типу. В них чертежная головка перемещается в одном направлении, перпендикулярном направлению движения бумаги. Таким образом, изображение строится построчно. Ширина бумаги соответствует формату А1 или А0, а длина рулона может быть несколько десятков метров.
В барабанных плоттерах (drum plotter) носитель изображения закрепляется на вращающемся барабане.
По способу печати растровые плоттеры подразделяются следующим образом:
электростатические;
струйные, основанные на принципе струйной печати;
лазерные;
светодиодные, отличающиеся от лазерных способом перенесения изображения с барабана на бумагу;
термические графопостроители (thermal plotter);
фотоплоттеры с фиксацией изображения на светочувствительном материале путем экспозиции.
Разрешение растровых графопостроителей находится в переделах 300 – 2500 dpi.
Цифровые фотоаппараты – безусловно, самый распространенный вид графических устройств ввода. Для регистрации изображения используется матрица светочувствительных элементов, преобразующих оптическое изображение в электрическое. Каждый элемент матрицы регистрирует в виде заряда информацию о яркости соответствующего пикселя изображения. Оптическое изображение формируется объективом фотокамеры и регистрируется в матрице в процессе экспозиции в аналоговой форме. После этого элементы матрицы последовательно опрашиваются, уровни напряжения в ее элементах преобразуются цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) в цифровую форму и записываются сначала в оперативную память, а из нее для хранения – во флэш-память в формате JPG или TIF.
Применяется два типа светочувствительных матриц:
CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП));
CCD – Charged Couple Devices (приборы с зарядовой связью (ПЗС)).
CMOS-матрицы используются в более дорогих, профессиональных фотоаппаратах.
Основные характеристики фотокамер – емкость матрицы в мегапикселях (10 – 15 МПикс); максимальная разрешающая способность изображения (3648х2736, 4320х3240 и выше).
Сканер – это устройство ввода графической информации главным образом с бумажных носителей. Обычно это бумажные документы и фотографии [1, 7].
Наиболее распространены планшетные сканеры. В них сканируемый документ или фотография располагаются на планшете и равномерно освещаются источником белого света. Используются принципы цифровой фотографии. Фоточувствительным элементом сканера служит CCD-линейка или CCD-матрица. Оптической системой, аналогичной оптике фотоаппарата, формируется проекция изображения на CCD.
CCD-линейка способна зафиксировать лишь одну строку проекции. К кому же, для того чтобы получить цветное изображение, используют 3 цветных светофильтра – красный, синий и зеленый, поэтому в сканерах с CCD-линейкой ввод изображения ведется построчно, а перемещение CCD-линейки к очередной строке производится шаговым двигателем.
В планшетных сканерах с CCD-матрицей не требуется ее перемещения. При экспозиции изображение фиксируется во всех ее чувствительных элементах одновременно, так же, как в цифровых фотоаппаратах.
Разрешение сканеров чаще всего, как и для принтеров, указывают в единицах dpi, хотя правильнее бы было использовать единицу ppi, так как оптическое разрешение сканера характеризует число пикселей формируемого изображения, приходящихся на 1 дюйм. Оптическое разрешение сканеров лежит в пределах от 600 dpi, что с учетом сказанного нужно понимать как 600 пикселей на дюйм, до 4800 dpi.
Дигитайзер (графический планшет) – это устройство, предназначенное для ручного рисования и оцифровки изображений. Дигитайзер состоит из планшета и курсора, который пользователь может двигать по поверхности планшета для формирования рисунка. Принцип действия основан на фиксации местоположения курсора с помощью встроенной в планшет сетки. При нажатии на кнопку курсора его местоположение на поверхности планшета фиксируется, а его координаты передаются в компьютер. Сетка состоит из проволочных или печатных проводников с шагом 3 – 6 мм, однако механизм регистрации положения позволяет получить шаг считывания информации намного меньше шага сетки (до 100 линий на мм).
Важная характеристика дигитайзера – регистрируемое число степеней нажима электронного пера. Степень нажатия оцифровывается и обрабатывается программным путем для преобразования, например, в толщину проводимой линии. В современных дигитайзерах число различаемых степеней нажатия достигает 256.